油氣行業智能巡檢機器人應用現狀綜述

張星，陳逸，王立學，張金亞

（1.國家管網集團北京管道有限公司，北京 100101；2.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249）

隨著經濟的不斷發展，人們對油氣的需求日益增多，為了滿足巨大的需求，我國每年都會大量的新建或者擴建油田。為了保證油田的穩定生產，油田巡檢是必不可少的。目前，主要采用人工巡檢與監控技術相結合的方式，由站內工作人員定期檢查設備損壞以及管道泄漏情況。然而，人工巡檢方式存在很多無法解決的弊端，勞動強度較大但工作效率卻很低，在雨雪等天氣條件下，會受到影響，而且工作人員重復相同的工作，容易產生不良情緒。視頻監控系統也有很多不足之處，存在盲區，很難實現全方位覆蓋。另外，由于攝像頭數量特別多且系統比較復雜，因此經常會發生故障，維護起來比較困難。近幾年，國家大力實施自動化降壓減人、機械化更換人的工作方針，機器人技術在我國發展迅速，越來越多成本低、效率高、可靠性高的智能巡檢機器人被設計和研制出來，并逐步廣泛地應用于油氣行業，替代人工巡檢，彌補了人工巡檢存在的一些不足。本文簡單介紹了智能巡檢機器人的結構組成和工作原理，通過分析巡檢機器人的研究現狀，找出存在的問題，并提出對未來的展望。

1 智能巡檢機器人概述

智能巡檢機器人是一個融合多種計算機技術的復雜系統，在各種傳感器的協作幫助下，可以檢測設備的實時狀態，并開展相應的工作，為工作站的員工減輕負擔。智能巡檢機器人使用范圍很廣泛，有許多種類型，比如油氣工作站的巡檢機器人、廊道的巡檢機器人、變電站的巡檢機器人等。智能巡檢機器人一般由傳感器、探測器、攝像頭和其他輔助裝置組成。目前投入使用的智能巡檢機器人多數是輪式驅動和履帶式驅動底盤，輪式驅動移動速度快，但只能在平坦的路面上行駛，履帶式驅動可以跨越障礙物，不過速度較慢。

油氣工作站智能巡檢機器人有以下功能：通過高清攝像頭采集圖像和視頻并傳輸到后臺存檔；借助紅外測溫儀，反映工作站設備的溫度分布情況，方便工作人員找出存在的問題，避免發生故障；通過激光甲烷檢測儀，能夠及時發現天然氣泄漏位置，讓工作人員進行修補工作；依靠超聲波傳感器，定位并識別各種障礙物，確保在巡檢時能夠避開障礙物，防止自身受到損壞；在互聯網的幫助下，獲取工作站周圍的天氣、溫度和風速等相關信息，切換不同的工作模式。

2 壓氣站智能巡檢機器人研究現狀

智能巡檢機器人最早使用于電力行業，早在20世紀90年代，東京電力公司和日本三菱公司聯合開發了變電站巡檢機器人，通過紅外熱像儀和數字圖像采集裝置，獲取變電站內的信息，如圖1所示。2008年，巴西圣保羅大學開發研制了一種用于變電站內部溫度監測的移動式機器人，體積和重量都比較小，易于操作，紅外熱成像儀通過架設在變電站上面的高空軌道移動，如圖2所示。美國自主研發的變電站檢測機器人，能夠自動對電力設備進行紅外檢測，并使用檢測天線定位局部放電的位置，如圖3所示。2013年，加拿大研制出一種既可以檢測也可以操作的機器人，擁有視覺和紅外檢測的功能，而且能夠進行遠程遙控，如圖4所示。

圖1 日本早期研制的 變電站巡檢機器人

圖2 巴西圣保羅大學研制的備熱點監測機器人

圖3 美國電力巡檢機器人

圖4 加拿大檢測及操作機器人

國內對智能巡檢機器人的研究起步較晚，但發展十分迅速。2004年，我國自主研發的第一臺巡檢機器人誕生。2007年，山東電力研究院的魯守銀等深入研究了智能巡檢機器人系統的總體結構，并基于攝像機、高性能定向MIC等傳感器，給出了實現巡檢機器人圖像識別及溫度測量等功能的方法，提高了變電站設備運行的安全性。中國石油大學的矯德余在控制硬件設計中，使用ARM嵌入式系統和Linux操作系統，讓巡檢機器人系統更加智能化，為后續復雜的應用提供了條件。電子科技大學的鄒其雨設計了SIPR數據采集及監控系統，提高了工作站設備維護和檢測的自動化水平。

近幾年，油氣行業巡檢機器人發展迅速。2018年中國石油首臺巡檢機器人在長慶油田采氣四場使用，以電動四輪驅動，配有360°轉動的攝像頭，可以在晚上使用，裝配氣體檢測儀和聲音采集裝置，實現了氣、聲、光三項數據收集和各類危害風險的自動化預警，如圖5所示。中衛站的第二代智能巡檢機器人可以實現設備狀態智能監控、數據智能采集分析、及時報警等功能，如圖6所示。西安市油氣田智慧裝備工程技術研究中心研發的第二代5G激光機器人，通過激光雷達導航，利用激光甲烷檢測儀和紅外線甲烷檢測儀檢測工藝區甲烷含量，在紅外熱成像儀和攝像頭的幫助下檢測設備溫度及儀表讀數，同時將采集的圖像和數據，通過無線傳輸系統發送到控制中心，如圖7所示。北斗油氣站場智能巡檢機器人，通過北斗精準定位、三維激光SLAM建模，擁有無人駕駛自主避障行駛和精準定位能力，可以輕松完成路線規劃且多任務自主執行，如圖8所示。

圖5 長慶油田巡檢機器人

圖6 中衛站巡檢機器人

圖7 第二代5G激光機器人

圖8 北斗油氣站場智能巡檢機器人

3 智能巡檢機器人在實際應用中的不足

3.1 識別問題

智能巡檢機器人在進行巡檢工作時，是依靠相應的傳感器對各種障礙物進行感應，從而避開障礙物。但在具體使用過程中仍存在一些問題，比如智能巡檢機器人可能將一些設備識別為障礙物，那么操作人員就無法獲取這些設備的信息，會影響后續的工作。

3.2 測溫問題

智能巡檢機器人進行測溫工作的時候，一般是按照工作人員事先設計好的路徑行走，無法全方位的對設備進行溫度測量，又因為站內各種設備的存在，有些區域工作的機器人只能在相對較遠的地方進行溫度測量，導致測量結果不夠精確。另外，在下雨或者下雪的情況下測溫工作也會受到影響。因此，巡檢機器人只能對設備進行簡單的溫度測量，無法保證測量溫度的準確性。

3.3 讀取數據問題

一般情況下智能巡檢機器人配備的攝像頭是可以調節焦距的，其讀取儀表上的數據比人工巡檢人員的目測相對要準確一些。智能巡檢機器人通過調節焦距可以把距離較遠或較高的儀表界面拍攝為清楚的圖片并傳輸到后臺進行保存。但是在長時間使用后，攝像頭會變臟，機器人又不能自動清洗，儀表檢測和讀取數據就會受到影響。除此之外，也時常發生攝像頭對焦不準確的問題。

3.4 續航問題

目前投入使用的智能巡檢機器人持續工作時間只有6-8小時，續航能力太差，一旦電量耗盡，操作人員就要將它回收充電，充電結束后又要重新進行設置，浪費了很多時間和精力。如果工作人員沒有發現巡檢機器人電量耗盡，那么機器人將會一直停留在那。

4 結語

油氣行業巡檢機器人在最近幾年迅速發展，它的工作效率比人工巡檢高得多，而且在惡劣的天氣條件下依然可以正常工作，是我國油氣行業智慧化發展的必然趨勢。然而，智能巡檢機器人也存在很多問題，針對這些問題，未來可在以下方面發展：（1）革新SLAM 算法，使得定位和導航更加準確，更加簡單，盡量減少識別錯誤，保證巡檢機器人正常工作。（2）加強一些關鍵技術的研究。如紅外測溫技術，實現溫度的精準測量。（3）添加自動清洗裝置以及更好的焦距調節系統，讓拍出的圖片或視頻更加清晰。（4）搭載更多類型的傳感器，獲取各種各樣的設備狀態信息。（5）機器人更加智能化，可自主解決發現的問題。